高容量锂离子电池负极集流体泡沫铜压缩及疲劳行为研究

摘要

锂离子电池作为一种高效的二次电池，已广泛应用于多种便携式电子器件中，但随着其应用范围向电动汽车、航空航天、军事、大规模储能等领域扩展，要求电池具有更高的能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。但高容量锂离子电池在实际应用中受到诸多限制，负极材料在充放电过程中的脱锂/嵌锂将引起体积变化，导致电极材料结构破坏和机械粉化，与集流体分离，致使容量迅速衰减。采用高度多孔结构的开孔泡沫铜替代普通铜箔作为负极集流体，是解决负极材料与集流体分离失效问题的有效方法，并可以缓解电极膨胀与收缩产生的应力。针对此问题，本文系统的研究了应变率、孔隙率、孔径对开孔泡沫铜压缩变形特性与疲劳损伤行为规律的影响，分析压缩过程中的吸能能力与变形机理，并揭示了疲劳微观结构演变。主要研究结果如下:
　　(1)通过对不同孔结构特征参数的开孔泡沫铜在不同应变率下的压缩试验，发现材料压缩强度、杨氏模量及屈服应力随着应变率的增加而增大，随着孔隙率、孔径尺寸的增加而减小。应变率敏感性参数较小，最大应变率敏感性参数(0.205)为试样90.3％-5PPI在应变率10-2/s下的计算值，且低应变率导致材料具有更高的敏感性参数，孔径、孔隙率越大，敏感性参数相对较高，且孔径为重要影响因素。
　　(2)开孔泡沫铜压缩变形过程分为线弹性阶段、塑性平台阶段以及致密化阶段，杨氏模量、屈服强度和平台应力的比例定律证实了泡沫铜的变形由孔棱弯曲引起。增大孔隙率和孔径尺寸的大小有助于吸能能力的增加，而增大孔隙率、减小孔径的大小对开孔泡沫铜的吸能效率有所提高。
　　(3)压缩试验和模拟表明开孔泡沫铜失效机制为逐层崩溃失效机制，且孔棱薄弱处和空心孔棱棱壁处易产生应力集中和裂纹。模拟曲线与试验曲线吻合的相对较好，杨氏模量、屈服应力及压缩强度相对误差分别为5.9％、6.3％和4.6％，说明该二维随机模型能够较好的反应单轴压缩过程中试样的能量吸收。有限元模拟结果表明，孔棱薄弱处和空心孔棱棱壁处的永久性局部塑性大变形是影响能量吸收的主要因素。
　　(4)对不同孔结构特征参数的开孔泡沫铜在不同载荷频率下进行压-压疲劳试验。研究发现，随着孔隙率和孔径尺寸的减小，开孔泡沫铜的疲劳寿命明显提高，在低应力幅值下更加显著;开孔泡沫铜疲劳寿命随着频率的减小有些许增加，在高应力区比较明显。随着应力幅值的降低，泡沫铜对载荷频率的影响越来越不敏感。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池简史

1．2 锂离子电池的工作原理

1．3 锂离子电池电极材料

1．3．1 正极材料

1．3．2 负极材料

1．4 锂离子电池负极集流体研究进展

1．4．1 工业铜集流体

1．4．2 特殊结构的铜集流体

1．5 泡沫材料单轴压缩及疲劳行为研究概述

1．5．1 单轴压缩特性研究

1．5．2 疲劳行为研究

1．6 本文主要研究目标及内容

1．6．1 研究目标

1．6．2 研究内容

第二章 研究方法

2．1 试验材料

2．2 试验仪器与设备

2．3 试验概况

2．3．1 试验技术方案

2．3．2 压缩力学性能测试

2．3．3 疲劳行为试验

2．4 微观组织观察及有限元模拟

2．4．1 微观组织观察

2．4．2 有限元模拟

第三章 高孔隙率开孔泡沫铜的压缩及吸能性能研究

3．1．1 应力-应变曲线分析

3．1．2 应变率对压缩性能的影响

3．1．3 孔隙率和孔径对压缩性能的影响

3．1．4 变形失效机制分析

3．2 应变率及孔结构特征参数对能量吸收性能的影响

3．3 开孔泡沫铜压缩变形机制和能量吸收性能模拟研究

3．3．1 开孔泡沫铜压缩变形机制模拟

3．3．2 泡沫铜能量吸收机理模拟

3．4 本章小结

第四章 高孔隙率开孔泡沫铜的疲劳行为研究

4．1 开孔泡沫铜疲劳寿命曲线拟合

4．2 循环载荷频率对疲劳行为的影响

4．3 孔洞结构特征参数对疲劳行为的影响

4．3．1 孔隙率对疲劳性能的影响

4．3．2 孔径对疲劳性能的影响

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录